ΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΕΡΟΒΣΚΙΤΗ: ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

 

Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη (Perovskite Solar Cells- PSCs) παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον, τόσο για την ερευνητική κοινότητα, όσο και για τη βιομηχανία των φωτοβολταϊκών συστημάτων.

Ο περοβσκίτης είναι ένα ορυκτό οξείδιο του ασβεστίου και του τιτανίου της μορφής CaTiO_3. Ανακαλύφθηκε το 1839 στα Ουράλια από τον Γκούσταβ Ρόζε (Gustav Rose) και πήρε το όνομά του από τον Ρώσο ορυκτολόγο Λεβ Αλεξέγιεβιτς Περόβσκι (Lev Aleksevich Perovski).

Ο περοβσκίτης έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε ηλιακά κύτταρα στερεάς κατάστασης (solid – state solar cells) από το 2012. Η κρυσταλλική δομή των κυττάρων αυτών είναι της μορφής ΑΒΧ_3,  όπου:

Α = ένα οργανικό κατιόν – μεθυλαμμώνιο (methyloammonium)  (CH₃NH₃⁺) ή φορμαμιδίνιο (formamidinium) (NH₂CHNH₂⁺).

Β = ένα μεγάλο ανόργανο κατιόν – συνήθως μόλυβδος (Lead II)  (Pb₂⁺).

Χ₃ = ένα ελαφρώς μικρότερο ανιόν αλογόνου – συνήθως χλωρίδιο (C_L^-) ή ιωδίδιο (I^-).

Τα υλικά των PSCs είναι φθηνά στην παραγωγή και απλά στην κατασκευή τους.

Η αποδοτικότητα (efficiency) των PSCs έχει φτάσει σε εργαστηριακές συνθήκες το 25,8 % σε αρχιτεκτονικές μονής σύνδεσης (single – junction), ενώ σε αρχιτεκτονικές διαδοχικών κυττάρων που βασίζονται στο πυρίτιο (silicon based tandem cells), το 29,52%, υπερβαίνοντας έτσι τη μέγιστη αποδοτικότητα που έχει επιτευχθεί σε ηλιακά κύτταρα πυριτίου μονής σύνδεσης (single junction silicon solar cells). Ο υψηλός συντελεστής απορρόφησης των ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη επιτρέπει την παραγωγή εξαιρετικά λεπτών φιλμ της τάξης των 500 nm που απορροφούν όλο το ορατό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Με την προοπτική της επίτευξης ακόμα μεγαλύτερης αποδοτικότητας και πολύ χαμηλού κόστους παραγωγής, τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη είναι λογικό να παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον από πλευράς εμπορικής εκμετάλλευσης.

Τα PSCs παρουσιάζουν όμως ένα βασικό πρόβλημα, με την αντιμετώπιση του οποίου  ασχολούνται διάφορα ερευνητικά projects. Το πρόβλημα αυτό αφορά στη βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη αστάθειά τους. Η αστάθεια αυτή οφείλεται σε διάφορους παράγοντες, όπως περιβαλλοντικές συνθήκες (υγρασία και οξυγόνο), θερμική καταπόνηση και ενδογενής αστάθεια των υλικών (μεθυλοαμμώνιο, φορμαμιδίνιο) που θερμαίνονται με την εφαρμοζόμενη τάση, επίδραση του φωτός (υπεριώδες φως & ορατό φως) και μηχανική ευθραυστότητα.

Ένα άλλο πρόβλημα που αφορά στα PSCs είναι η τοξικότητα του μολύβδου που χρησιμοποιείται σε ορισμένα από αυτά. Διάφορες μελέτες έχουν γίνει για το συγκεκριμένο θέμα, με τους επικρατέστερους υποψηφίους για την αντικατάσταση του μολύβδου να είναι οι περοβσκίτες αλογονιδίου κασσιτέρου / Γερμανίου (Tin / Germanium – halides), οι διπλοί περοβσκίτες και τα αλογονίδια Βισμουθίου / Αντιμονίου (Bismuth / Antimony – halides) με δομές παρόμοιες με αυτές των περοβσκιτών.

Τελειώνοντας, θα πρέπει να αναφέρουμε ότι τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη έχουν εφαρμογές στην τροφοδότηση ασύρματων ηλεκτρονικών χαμηλής ισχύος, στα πλαίσια εφαρμογών που σχετίζονται με το Διαδίκτυο των πραγμάτων (Inrernet of things), όπως π.χ. αισθητήρες φωτοβολταϊκών PV – RFID. Από την άλλη πλευρά, η χρήση τους σε διαδοχικά κύτταρα πυριτίου – περοβσκίτη (tandem Si – peroskvite cells) έχει παρουσιάσει σημαντική άνοδο και είναι πιθανό ότι η εμπορική ανάπτυξή τους σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας θα γίνει χρησιμοποιώντας αυτή τη δομή.

Γιώργος Λαλόπουλος

Δ/νων Σύμβουλος

ΛΑΤΖΙ.ΠΛΑΝ (SOLAR TOYS)